5.2. Технология Gigabit Ethernet

Развитие мультимедиа технологий привело к необходимости повышения пропускной способности линий связи. В этой связи была разработана технология Gigabit Ethernet, предусматривающая передачу данных со скоростью 1 Гбит/с. В данной технологии, также как в Fast Ethernet, была сохранена преемственность с технологией Ethernet: практически не изменились форматы кадров, сохранился метод доступа CSMA/CD в полудуплексном режиме. На логическом уровне используется кодирование 8B/10B. Поскольку скорость передачи увеличилась в 10 раз по сравнению с Fast Ethernet, то было необходимо либо уменьшить диаметр сети до 20 – 25 м, либо увеличить минимальную длину кадра. В технологии Gigabit Ethernet пошли по второму пути, увеличив минимальную длину кадра до 512 байт, вместо 64 байт в технологии Ethernet и Fast Ethernet. Диаметр сети равен 200 м, так же как в Fast Ethernet. Увеличение длины кадра может происходить двумя способами. Первый способ предусматривает заполнение поля данных короткого кадра символами запрещенных кодовых комбинаций, при этом будет непроизводительная загрузка сети. По второму способу разрешается передавать несколько коротких кадров подряд с общей длиной до 8192 байт.

Современные сети Gigabit Ethernet, как правило, строятся на основе коммутаторов и работают в полнодуплексном режиме. В этом случае говорят не о диаметре сети, а о длине сегмента, которая определяется техническими средствами физического уровня, прежде всего, физической средой передачи данных. Gigabit Ethernet предусматривает использование:

• одномодового оптоволоконного кабеля; 802.3z

• многомодового оптоволоконного кабеля; 802.3z

• симметричного кабеля UTP категории 5; 802.3ab

• коаксиального кабеля.

При передаче данных по оптоволоконному кабелю в качестве излучателей используются либо светодиоды, работающие на длине волны 830 нм, либо лазеры – на длине волны 1300 нм. В соответствие с этим стандарт 802.3z определил две спецификации 1000Base-SX и 1000Base-LX. Максимальная длина сегмента, реализованного на многомодовом кабеле 62,5/125 спецификации 1000Base-SX, составляет 220 м, а на кабеле 50/125 – не более 500 м. Максимальная длина сегмента, реализованного на одномодовом спецификации 1000Base-LX, составляет 5000 м. Длина сегмента на коаксиальном кабеле не превышает 25 м.

Для использования уже имеющихся симметричных кабелей UTP категории 5 был разработан стандарт 802.3ab. Поскольку в технологии Gigabit Ethernet данные должны передаваться со скоростью 1000 Мбит/с, а витая пара 5 категории имеет полосу пропускания 100 МГц, то было решено передавать данные параллельно по 4 витым парам и использовать UTP категории 5 или 5е с шириной полосы 125 МГц. Таким образом, по каждой витой паре необходимо передавать данные со скоростью 250 Мбит/с, что в 2 раза превышает возможности UTP категории 5е. Для устранения этого противоречия используется код 4D-PAM5 с пятью уровнями потенциала (-2, -1, 0, +1, +2). По каждой паре проводов одновременно производится передача и прием данных со скоростью 125 Мбит/с в каждую сторону. При этом происходят коллизии, при которых формируются сигналы сложной формы пяти уровней. Разделение входного и выходного потоков производится за счет использования схем гибридной развязки H (рис.5.4). В качестве таких схем используются сигнальные процессоры. Для выделения принимаемого сигнала приемник вычитает из суммарного (передаваемого и принимаемого) сигнала собственный передаваемый сигнал.

Таким образом, технология Gigabit Ethernet обеспечивает высокоскоростной обмен данными и применяется, главным образом, для передачи данных между подсетями, а также для обмена мультимедийной информацией.

Рис. 5.4. Передача данных по 4 парам UTP категории 5

Стандарт IEEE 802.3 рекомендует, что технология Gigabit Ethernet с передачей данных по волокну должна быть магистральной (backbone). Временные интервалы, формат кадра и передача являются общими для всех версий 1000 Мбит/с. Физический уровень определяют две схемы кодирования сигнала (рис.5.5). Схема 8B/10B используется для оптического волокна и медных экранированных кабелей. Для симметричных кабелей UTP используется модуляция амплитуды импульсов (код PAM5). Технология 1000BASE-X использует логическое кодирование 8B/10B и линейное кодирование (NRZ).

Рис.5.5. Спецификации технологии Gigabit Ethernet

Сигналы NRZ передаются по волокну, используя либо коротковолновые (short-wavelength), либо длинноволновые (long-wavelength) источники света. В качестве коротковолновых источников используются светодиоды с длиной волны 850 нм для передачи по многомодовому оптическому волокну (1000BASE-SX). Этот менее дорогостоящий вариант используется для передачи на короткие расстояния. Длинноволновые лазерные источники (1310 нм) используют одномодовое или многомодовое оптическое волокно (1000BASE-LX). Лазерные источники с одномодовым волокном способны передавать информацию на расстояние до 5000 м.

В соединениях точка – точка (point-to-point) для передачи (Tx) и приема (Rx) используются раздельные волокна, поэтому реализуется полнодуплексная связь. Технология Gigabit Ethernet позволяет устанавливать только единственный ретранслятор между двумя станциями. Ниже приведены параметры технологий 1000BASE (табл. 5.2).

Таблица 5.2

Сравнительные характеристики спецификаций Gigabit Ethernet

	Спецификация	Среда	Расстояние
1	1000Base-LX	Волокно 10 мкм	5000 м
2		Волокно 50 мкм	500 м
3		Волокно 62,5 мкм	500 м
4	1000Base-SX	Волокно 50 мкм	500 м
5		Волокно 62,5 мкм	300 м
6	1000Base-T	Витая пара UTP, 5e	100 м
7	1000Base-CX	Коаксиальн. кабель	25 м

Сети Gigabit Ethernet строятся на основе коммутаторов, когда расстояние полнодуплексных соединений ограничено только средой, а не временем двойного оборота. При этом, как правило, используются топология «звезда» или «расширенная звезда», а проблемы определяются логической топологией и потоком данных.

Стандарт 1000BASE-T предусматривает использование практически такого же кабеля UTP, как и стандарты 100BASE-T, и 10BASE-T. Кабель UTP технологии 1000BASE-T такой же, как кабель 10BASE-T и 100BASE-TX, за исключением того, что рекомендовано использовать кабель категории 5e. При длине кабеля 100 м аппаратура 1000BASE-T работает на пределе своих возможностей.